JP5601939B2 - Piezoelectric actuator drive circuit and piezoelectric actuator device including the same - Google Patents
Piezoelectric actuator drive circuit and piezoelectric actuator device including the same Download PDFInfo
- Publication number
- JP5601939B2 JP5601939B2 JP2010196434A JP2010196434A JP5601939B2 JP 5601939 B2 JP5601939 B2 JP 5601939B2 JP 2010196434 A JP2010196434 A JP 2010196434A JP 2010196434 A JP2010196434 A JP 2010196434A JP 5601939 B2 JP5601939 B2 JP 5601939B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- piezoelectric actuator
- switching element
- voltage pulse
- voltage
- side switching
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 230000010287 polarization Effects 0.000 claims description 85
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 6
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 6
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 5
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 4
- 230000002441 reversible effect Effects 0.000 description 4
- 230000003071 parasitic effect Effects 0.000 description 3
- 230000002411 adverse Effects 0.000 description 1
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 1
- 230000003111 delayed effect Effects 0.000 description 1
- 230000001419 dependent effect Effects 0.000 description 1
- 230000005669 field effect Effects 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000010355 oscillation Effects 0.000 description 1
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H02N2/00—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction
- H02N2/10—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing rotary motion, e.g. rotary motors
- H02N2/14—Drive circuits; Control arrangements or methods
- H02N2/145—Large signal circuits, e.g. final stages
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H02N2/00—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction
- H02N2/10—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing rotary motion, e.g. rotary motors
- H02N2/14—Drive circuits; Control arrangements or methods
- H02N2/142—Small signal circuits; Means for controlling position or derived quantities, e.g. speed, torque, starting, stopping, reversing
Landscapes
- General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)
- Apparatuses For Generation Of Mechanical Vibrations (AREA)
Description
本発明は、圧電アクチュエータ駆動回路に関し、特に、複数の分極部を備え、複数の分極部のうちの少なくとも1つに駆動電圧が印加される圧電アクチュエータを駆動する圧電アクチュエータ駆動回路、及びそれを備えた圧電アクチュエータ装置に関する。 The present invention relates to a piezoelectric actuator drive circuit, and in particular, a piezoelectric actuator drive circuit that drives a piezoelectric actuator that includes a plurality of polarization units and that applies a drive voltage to at least one of the plurality of polarization units. The present invention relates to a piezoelectric actuator device.
定在波型超音波モータ(ピエゾモータ)等の圧電アクチュエータは、一般に、一体の圧電素子内に複数の分極部が形成されており、それらのうちの1つ又は複数の分極部に高圧電源からの電圧パルスが印加され、駆動される。複数の分極部のうちの1つに電圧パルスを印加するアクチュエータでは、アクチュエータを正転(正方向駆動)させる場合と、アクチュエータを反転(逆方向駆動)させる場合では、異なる分極部に電圧パルスが印加される。また、複数の分極部に電圧パルスが印加されるアクチュエータでは、各分極部に印加される電圧パルスの波形は互いに位相が異なっており、アクチュエータを正転(正方向駆動)させる場合と、アクチュエータを反転(逆方向駆動)させる場合で、各電圧パルス波形の位相関係が変更される。 In general, a piezoelectric actuator such as a standing wave type ultrasonic motor (piezomotor) has a plurality of polarization portions formed in an integral piezoelectric element, and one or more of the polarization portions are supplied from a high-voltage power source. A voltage pulse is applied and driven. In an actuator that applies a voltage pulse to one of a plurality of polarization parts, a voltage pulse is applied to different polarization parts when the actuator is rotated forward (forward drive) and when the actuator is reversed (reverse drive). Applied. In addition, in an actuator in which voltage pulses are applied to a plurality of polarization parts, the waveforms of the voltage pulses applied to the polarization parts are different from each other, and when the actuator is rotated forward (driven in the forward direction), In the case of inversion (reverse driving), the phase relationship of each voltage pulse waveform is changed.
特許4406952号公報(特許文献1)には、振動アクチュエータが記載されている。この振動アクチュエータにおいては、振動子に2つの交流信号が入力され、これらの交流信号のうちの少なくとも一方の電圧を変え、又は位相を変えることにより、振動子の楕円運動の軌跡における軸の傾斜を制御している。 Japanese Patent No. 44066952 (Patent Document 1) describes a vibration actuator. In this vibration actuator, two AC signals are input to the vibrator, and by changing the voltage or phase of at least one of these AC signals, the inclination of the axis in the locus of elliptical motion of the vibrator is changed. I have control.
しかしながら、特許4406952号公報に記載されている振動アクチュエータの駆動装置では、アクチュエータを効率良く駆動することが難しいという問題がある。また、この振動アクチュエータの駆動装置では、駆動速度に依存してハンチング等が発生しやすく、アクチュエータを円滑に制御することが難しいという問題がある。 However, the drive device for the vibration actuator described in Japanese Patent No. 44066952 has a problem that it is difficult to drive the actuator efficiently. In addition, this vibration actuator drive device has a problem that hunting or the like tends to occur depending on the drive speed, and it is difficult to control the actuator smoothly.
本発明は、圧電アクチュエータを効率良く駆動することができ、又は、圧電アクチュエータを円滑に駆動することができる圧電アクチュエータ駆動回路、及びそれを備えた圧電アクチュエータ装置を提供することを目的としている。 An object of the present invention is to provide a piezoelectric actuator driving circuit that can efficiently drive a piezoelectric actuator or smoothly drive a piezoelectric actuator, and a piezoelectric actuator device including the piezoelectric actuator driving circuit.
上述した課題を解決するために、本発明は、複数の分極部を備え、複数の分極部のうちの少なくとも1つに駆動電圧が印加される圧電アクチュエータを駆動する圧電アクチュエータ駆動回路であって、電圧源と、分極部と電圧源との間に接続され、制御信号により導通状態と非導通状態に切り換えられるハイ側スイッチング素子と、分極部とアース電位との間に接続され、制御信号により導通状態と非導通状態に切り換えられるロー側スイッチング素子と、これらのハイ側スイッチング素子及びロー側スイッチング素子を制御して、ハイ側スイッチング素子のみを導通状態として分極部に電圧源が接続される電圧印加期間、ハイ側スイッチング素子及びロー側スイッチング素子を何れも非導通状態として、分極部が電圧源及びアース電位から切り離されるフロート期間、及びロー側スイッチング素子のみを導通状態として分極部をアース電位に接続する接地期間を周期的に切り換えることにより、電圧パルスを分極部に印加し、圧電アクチュエータを駆動するスイッチング素子制御回路と、を有し、スイッチング素子制御回路は、複数の分極部に、夫々位相の異なる電圧パルスを印加すると共に、含まれるフロート期間の長さが異なる電圧パルスを各分極部に印加することを特徴としている。 In order to solve the above-described problem, the present invention is a piezoelectric actuator drive circuit that includes a plurality of polarization units, and that drives a piezoelectric actuator in which a drive voltage is applied to at least one of the plurality of polarization units. Connected between the voltage source, the polarization unit, and the voltage source, and is connected between the high-side switching element that is switched between a conductive state and a non-conductive state by the control signal, and the polarization unit and the ground potential, and is conductive by the control signal. A low-side switching element that is switched between a state and a non-conduction state, and a voltage application that controls the high-side switching element and the low-side switching element so that only the high-side switching element is conductive and the voltage source is connected to the polarization unit The high-side switching element and the low-side switching element are both in a non-conductive state, and the polarization unit is A switching element that drives a piezoelectric actuator by applying a voltage pulse to the polarization part by periodically switching the float period that is separated and the ground period in which only the low-side switching element is in a conductive state and connecting the polarization part to the ground potential possess a control circuit, the switching element control circuit, a plurality of polarized portion, to apply a voltage pulse having different respective phases, the length of the float period include applying different voltages pulses to the polarized portion It is characterized by.
このように構成された本発明においては、電圧源がハイ側スイッチング素子を介して分極部に接続されている。一方、分極部はロー側スイッチング素子を介してアース電位に接続されている。スイッチング素子制御回路はハイ側スイッチング素子のみを導通状態として分極部に電圧源が接続される電圧印加期間、ハイ側スイッチング素子及びロー側スイッチング素子を何れも非導通状態として、分極部が電圧源及びアース電位から切り離されるフロート期間、及びロー側スイッチング素子のみを導通状態として分極部をアース電位に接続する接地期間を周期的に切り換えることにより、電圧パルスを分極部に印加する。 In the present invention configured as described above, the voltage source is connected to the polarization section via the high-side switching element. On the other hand, the polarization part is connected to the ground potential via the low-side switching element. The switching element control circuit has a voltage application period in which only the high-side switching element is in a conductive state and the voltage source is connected to the polarization unit, and the high-side switching element and the low-side switching element are both in a non-conduction state. A voltage pulse is applied to the polarization section by periodically switching between a float period disconnected from the ground potential and a ground period in which only the low-side switching element is in a conductive state and the polarization section is connected to the ground potential.
このように構成された本発明によれば、電圧印加期間と接地期間の間にフロート期間が設けられているので、分極部に印加される電圧の変化が滑らかになり、圧電アクチュエータを効率良く、又は、円滑に駆動することができる。
また、このように構成された本発明によれば、圧電アクチュエータの複数の分極部に夫々位相の異なる電圧パルスが印加されるので、単一の分極部のみに電圧パルスを印加する場合に比べ、圧電アクチュエータを効率良く、又は、円滑に駆動することができる。
さらに、このように構成された本発明によれば、含まれるフロート期間の長さが異なる電圧パルスを各分極部に印加するので、駆動対象の圧電アクチュエータに合わせて適切な駆動を行うことができる。
According to the present invention configured as described above, since the float period is provided between the voltage application period and the grounding period, the change in the voltage applied to the polarization unit becomes smooth, and the piezoelectric actuator can be efficiently used. Or it can drive smoothly.
Further, according to the present invention configured as described above, since voltage pulses having different phases are applied to the plurality of polarization portions of the piezoelectric actuator, compared to the case where a voltage pulse is applied only to a single polarization portion, The piezoelectric actuator can be driven efficiently or smoothly.
Furthermore, according to the present invention configured as described above, voltage pulses having different float period lengths are applied to each polarization unit, so that appropriate driving can be performed according to the piezoelectric actuator to be driven. .
本発明において、好ましくは、スイッチング素子制御回路は、各分極部に印加する電圧パルスが同じ長さのフロート期間を含む第1制御モードと、各分極部に印加する電圧パルスが夫々異なる長さのフロート期間を含む第2制御モードと、各分極部に印加する電圧パルスが、圧電アクチュエータの駆動中に長さが変化されるフロート期間を含む第3制御モードのうちの少なくとも2つを切り換えて実行する。 In the present invention, preferably, the switching element control circuit includes a first control mode in which the voltage pulse applied to each polarization unit includes a float period having the same length, and the voltage pulse applied to each polarization unit has a different length. Switch between at least two of the second control mode including the float period and the third control mode including the float period in which the length of the voltage pulse applied to each polarization unit is changed during driving of the piezoelectric actuator. To do.
このように構成された本発明によれば、第1制御モードと第2制御モードが切り換えて実行されるので、第1制御モードが有利な駆動状況と、第2制御モードが有利な駆動状況に応じて制御を切り換えることにより、より効率良く、円滑に圧電アクチュエータを駆動することができる。 According to the present invention configured as described above, since the first control mode and the second control mode are switched and executed, the driving situation in which the first control mode is advantageous and the driving situation in which the second control mode is advantageous are obtained. By switching the control accordingly, the piezoelectric actuator can be driven more efficiently and smoothly.
本発明において、好ましくは、圧電アクチュエータは超音波モータであり、スイッチング素子制御回路は、超音波モータの起動時には第2制御モードを実行し、その後、超音波モータが所定の回転数に達すると第1制御モードに切り換える。 In the present invention, it is preferable that the piezoelectric actuator is an ultrasonic motor, and the switching element control circuit executes the second control mode when the ultrasonic motor is activated, and then when the ultrasonic motor reaches a predetermined number of rotations, the switching element control circuit executes the second control mode. Switch to 1 control mode.
このように構成された本発明によれば、起動性の良い第2制御モードにより超音波モータを起動した後、駆動効率の良い第1制御モードに切り換えることにより、起動性及び効率を向上させることができる。 According to the present invention configured as described above, after starting the ultrasonic motor in the second control mode with good startability, the startability and efficiency are improved by switching to the first control mode with good drive efficiency. Can do.
本発明において、好ましくは、フロート期間は、印加する電圧パルス1周期のうちの5%以上を占めている。
このように構成された本発明によれば、フロート期間を十分に取ることができるので、十分に駆動効率を向上させることができる。
In the present invention, the float period preferably occupies 5% or more of one period of the voltage pulse to be applied.
According to the present invention configured as described above, a sufficient float period can be taken, so that the driving efficiency can be sufficiently improved.
本発明において、好ましくは、さらに、分極部に高電圧を発生させるためのコイルを有し、ハイ側スイッチング素子及びロー側スイッチング素子は、コイルを介して分極部に接続されている。
このように構成された本発明によれば、コイルによる共振現象を利用して、電圧源の電圧よりも高い電圧を分極部に印可することができる。このため、バッテリー等により、圧電アクチュエータを駆動することが可能になる。
In the present invention, it is preferable that the polarization unit further includes a coil for generating a high voltage, and the high-side switching element and the low-side switching element are connected to the polarization unit via the coil.
According to the present invention configured as described above, it is possible to apply a voltage higher than the voltage of the voltage source to the polarization part by utilizing the resonance phenomenon caused by the coil. For this reason, the piezoelectric actuator can be driven by a battery or the like.
また、本発明の圧電アクチュエータ装置は、ローターと、このローターを駆動する複数の分極部を備えたステーターと、複数の分極部のうちの少なくとも1つに駆動電圧を印可する本発明の圧電アクチュエータ駆動回路と、を有することを特徴としている。 In addition, the piezoelectric actuator device of the present invention includes a rotor, a stator having a plurality of polarization units that drive the rotor, and a piezoelectric actuator drive of the present invention that applies a drive voltage to at least one of the plurality of polarization units. And a circuit.
本発明の圧電アクチュエータ駆動回路、及びそれを備えた圧電アクチュエータ装置によれば、圧電アクチュエータを効率良く駆動し、又は、圧電アクチュエータを円滑に駆動することができる。 According to the piezoelectric actuator drive circuit of the present invention and the piezoelectric actuator device including the piezoelectric actuator drive circuit, the piezoelectric actuator can be efficiently driven or the piezoelectric actuator can be smoothly driven.
次に、添付図面を参照して、本発明の好ましい実施形態を説明する。
まず、図1乃至図3を参照して、本発明の実施形態による圧電アクチュエータ装置を説明する。
Next, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
First, a piezoelectric actuator device according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
図1は、本発明の第1実施形態による圧電アクチュエータ装置全体を示すブロック図である。図2は、圧電アクチュエータ駆動回路に内蔵されているA相電圧パルス生成回路の作用を説明する回路図及びタイミングチャートである。図3は、圧電アクチュエータの正転、反転時における各電圧パルスを示す図である。 FIG. 1 is a block diagram showing the entire piezoelectric actuator device according to the first embodiment of the present invention. FIG. 2 is a circuit diagram and a timing chart for explaining the operation of the A-phase voltage pulse generation circuit built in the piezoelectric actuator drive circuit. FIG. 3 is a diagram showing each voltage pulse at the time of forward rotation and inversion of the piezoelectric actuator.
図1に示すように、本実施形態の圧電アクチュエータ装置1は、圧電アクチュエータ2と、この圧電アクチュエータ2を駆動する圧電アクチュエータ駆動回路3と、を有する。本実施形態の圧電アクチュエータ装置1は、圧電アクチュエータ2に備えられている複数の分極部を圧電アクチュエータ駆動回路3により駆動することにより、ローター6が正転、又は反転されるように構成されている。
As shown in FIG. 1, the piezoelectric actuator device 1 according to this embodiment includes a
図1に示すように、圧電アクチュエータ2は、分極部4a、4bと、摩擦部材5と、ローター6と、を有する。また、圧電アクチュエータ駆動回路3は、A相電圧パルス生成回路8と、B相電圧パルス生成回路10と、マイクロコンピュータ32と、D/A変換器34と、電圧制御発振器36と、移相器38と、を有する。
As shown in FIG. 1, the
分極部4a、4bは単一の圧電特性部材内に形成されており、分極部4aは、A相電圧パルス生成回路8により電圧パルスを印可され、分極部4bは、B相電圧パルス生成回路10により電圧パルスを印可されるように構成されている。本実施形態においては、分極部4a、4bは、直方体状に形成された単一の圧電特性部材4cと、その一方の面に取り付けられた接地電極4dと、この接地電極4dの反対側に取り付けられた4つの電極4e、4f、4g、4hから構成されている。
The
接地電極4dは、圧電特性部材4cの1つの面全体を覆うように圧電特性部材4cに取り付けられており、アース電位に接続されている。圧電特性部材4cの接地電極4dとは反対側の面には、4つの電極4e、4f、4g、4hが並べて取り付けられている。図1において左上に配置された電極4eと、右下に配置された電極4hは電気的に接続されており、また、右上に配置された電極4fと、左下に配置された電極4gは電気的に接続されている。これにより、電極4f、4gが配置された、図1における圧電特性部材4cの右上部分と左下部分は、分極部4aとして機能し、電極4e、4hが配置された左上部分と右下部分は、分極部4bとして機能する。なお、本明細書においては、本実施形態のように単一の圧電特性部材内に複数の分極部が形成された構成、及び複数の圧電特性部材に1つずつ分極部が形成された構成を「複数」の分極部と呼ぶことにする。
The
図1に示すように、分極部4aはA相電圧パルス生成回路8から超音波帯域の交番電圧(電圧パルス)が印加されることにより変形され、超音波振動されるように構成されている。一方、分極部4bはB相電圧パルス生成回路10から超音波帯域の交番電圧(電圧パルス)が印加されることにより変形され、超音波振動されるように構成されている。なお、本実施形態においては、圧電アクチュエータ2は、分極部4a、4bのみを備えているが、本発明の圧電アクチュエータ駆動回路は、多数組の分極部を備えた圧電アクチュエータに適用することもできる。
As shown in FIG. 1, the
摩擦部材5はローター6に対して与圧された突起であり、圧電特性部材の振動と共に振動されるように構成されている。摩擦部材5が振動されると、これに押し付けられているローター6が所定の方向に回転するように構成されている。
The
マイクロコンピュータ32は、A相電圧パルス生成回路8及びB相電圧パルス生成回路10から出力される電圧パルス波形の周波数を指示する周波数指示信号をD/A変換器34に出力するように構成されている。圧電アクチュエータ2のローター6の回転数は、この電圧パルス波形の周波数によって制御される。また、マイクロコンピュータ32は、ローター6の正転、反転を指示する正反転指示信号を移相器38に出力するように構成されている。この正反転指示信号により、移相器38から出力される2つの駆動信号の位相関係が変更され、ローター6の回転方向が切り換えられる。さらに、マイクロコンピュータ32は、A相電圧パルス生成回路8及びB相電圧パルス生成回路10から出力される電圧パルスに含まれるフロート期間の長さを指示するフロート期間指示信号を、A相電圧パルス生成回路8及びB相電圧パルス生成回路10に出力するように構成されている。電圧パルスのフロート期間については後述する。
The
D/A変換器34は、マイクロコンピュータ32から入力されたデジタル信号を、アナログ信号に変換するように構成されている。上述したように、マイクロコンピュータ32から入力されるデジタル信号は電圧パルス波形の周波数を指示するための周波数指示信号であり、D/A変換器34は指示された周波数に対応したアナログ信号を出力するように構成されている。
The D /
電圧制御発振器36は、発振周波数が印加電圧によって変化する発振器であり、D/A変換器34から入力された電圧信号に対応した周波数の矩形波(電圧パルス波形)を、移相器38に出力するように構成されている。
The voltage controlled
移相器38は、電圧制御発振器36から入力された電圧パルス波形に対して90゜位相がずれた電圧パルス波形を生成するように構成されている。本実施形態においては、移相器38は、電圧制御発振器36から入力された電圧パルス波形を、そのまま駆動信号としてB相電圧パルス生成回路10に出力すると共に、この波形に対して90゜位相がずれた電圧パルス波形を駆動信号としてA相電圧パルス生成回路8に出力するように構成されている。また、本実施形態においては、移相器38は、マイクロコンピュータ32から入力された正反転指示信号により「正転」が指示された場合にはA相電圧パルス生成回路8に出力する電圧パルス波形の位相を90゜進ませ、「反転」が指示された場合には電圧パルス波形の位相を90゜遅らせるように構成されている。
なお、A相とB相の電圧パルスの位相差は、±90゜以外の位相差であっても良い。
The
The phase difference between the A-phase and B-phase voltage pulses may be other than ± 90 °.
A相電圧パルス生成回路8は、スイッチング素子制御回路12と、電圧源である高圧電源14と、ハイ側スイッチング素子16と、ロー側スイッチング素子18と、コイル20と、を有する。
The A-phase voltage
スイッチング素子制御回路12は、超音波帯域の駆動信号と、フロート期間指示信号に基づいて、ハイ側スイッチング素子16、及びロー側スイッチング素子18を導通状態又は非導通状態に切り換えるように構成されている。具体的には、スイッチング素子制御回路12は、種々のロジックIC等により構成することができる。
The switching
高圧電源14は、正の高電圧を発生する電圧源であり、ハイ側スイッチング素子16に接続されている。ハイ側スイッチング素子16が導通状態に切り換えられると、駆動素子には、コイル20を介して高電圧が印加されるように構成されている。
The high-
ハイ側スイッチング素子16は、本実施形態においては、Nチャンネル型のMOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)により構成されており、そのゲート端子がスイッチング素子制御回路12に接続され、ドレイン端子が高圧電源14に接続され、ソース端子がコイル20に接続されている。
In the present embodiment, the high-
ロー側スイッチング素子18は、本実施形態においては、Nチャンネル型のMOSFETにより構成されており、そのゲート端子がスイッチング素子制御回路12に接続され、ドレイン端子がコイル20に接続され、ソース端子が接地されている。
In this embodiment, the low-
コイル20は、その第1の端子である駆動端子20aを介して分極部4aに接続され、第2の端子20bが、前述のように、ハイ側スイッチング素子16のソース端子、ロー側スイッチング素子18のドレイン端子に接続されている。ここで、コイル20と接続された分極部4aは、LC共振回路として作用し、圧電アクチュエータ2の共振周波数近傍において駆動端子20aに適切な高電圧が発生するように、コイル20のインダクタンス値は選択されている。
The
B相電圧パルス生成回路10は、電圧源である高圧電源22と、ハイ側スイッチング素子24と、ロー側スイッチング素子26と、コイル28と、スイッチング素子制御回路30と、を有する。なお、B相電圧パルス生成回路10は、上述したA相電圧パルス生成回路8と同一であるため、説明を省略する。また、図1においては、高圧電源14と高圧電源22は別々に図示されているが、これらは、同一の高圧電源から構成することもできる。
The B-phase voltage
次に、図2を参照して、圧電アクチュエータ駆動回路3に内蔵されているA相電圧パルス生成回路8の作用を説明する。図2(a)はA相電圧パルス生成回路8を示し、(b)はA相電圧パルス生成回路8の作用を示すタイミングチャートである。図2(b)のタイミングチャートは、上段から順に、駆動信号、ハイ側スイッチング素子16の状態、ロー側スイッチング素子18の状態、コイル20の第2の端子20bの電圧を示している。
Next, the operation of the A-phase voltage
まず、スイッチング素子制御回路12には、図2(b)上段に示す矩形波状の駆動信号が入力される。駆動信号は、圧電アクチュエータ2の共振周波数近傍の周波数になるよう選択されており、駆動端子20aに適切な高電圧が発生するようになっている。
図2(b)に示すように、スイッチング素子制御回路12は、駆動信号がLレベルにある場合には、ハイ側スイッチング素子16を非導通状態(オフ)、ロー側スイッチング素子18を導通状態(オン)にする。具体的には、スイッチング素子制御回路12は、ハイ側スイッチング素子16及びロー側スイッチング素子18の各ゲート端子に信号を送り、これらのFETのオン、オフを切り換える。ハイ側スイッチング素子16がオフ、ロー側スイッチング素子18がオンにされると、コイル20の第2の端子20bは、ロー側スイッチング素子18を介して接地されるので、0Vとなる。
First, the switching
As shown in FIG. 2B, when the drive signal is at the L level, the switching
次に、駆動信号がLレベルからHレベルに立ち上がると、ロー側スイッチング素子18は直ちにオフに切り換えられ、ハイ側スイッチング素子16は、マイクロコンピュータ32からのフロート期間指示信号に対応したフロート期間T1が経過した後、オンに切り換えられる。ロー側スイッチング素子18がオフ、ハイ側スイッチング素子16がオンに切り換えられると、コイル20の第2の端子20bは、ハイ側スイッチング素子16を介して高圧電源14に接続され、第2の端子20bの端子電圧は、高圧電源14の電圧に立ち上がる。
Next, when the drive signal rises from the L level to the H level, the low-
ここで、ロー側スイッチング素子18がオフにされた後、ハイ側スイッチング素子16がオンにされるまでのフロート期間T1の間は、ロー側スイッチング素子18、ハイ側スイッチング素子16共にオフであり、このフロート期間T1(図2(b)の斜線部分)の間は、コイル20の第2の端子20bは、電気的に高圧電源14及びアース電位から切り離され、フロートされた状態となり、第2の端子20bの電圧は、FETの寄生ダイオードの効果でアース電位から高圧電源の電圧の範囲内で、駆動端子20aの電位とコイル2の電流方向と電流値に依存した値となる。
Here, both the low-
続いて、駆動信号がHレベルからLレベルに立ち下がると、ハイ側スイッチング素子16は直ちにオフに切り換えられ、ロー側スイッチング素子18は、所定のフロート期間T1が経過した後、オンに切り換えられる。ハイ側スイッチング素子16がオフ、ロー側スイッチング素子18がオンにされると、コイル20の第2の端子20bは、ロー側スイッチング素子18を介して接地されるので、再び0Vとなる。
Subsequently, when the drive signal falls from the H level to the L level, the high-
また、ハイ側スイッチング素子16がオフに切り換えられた後、ロー側スイッチング素子18がオンに切り換えられるまでのフロート期間T1も、コイル20の第2の端子20bが電気的に高圧電源14及びアース電位から切り離され、フロートされた状態となる。このフロート期間T1もフロート期間指示信号に応じた長さに設定される。
The second terminal 20b of the
以上の作用を繰り返すことにより、ハイ側スイッチング素子16のみを導通状態として第2の端子20bに電圧を印可する電圧印加期間、ハイ側スイッチング素子16及びロー側スイッチング素子18を何れも非導通状態として、第2の端子20bの電位をフロート電位にするフロート期間、及びロー側スイッチング素子18のみを導通状態として第2の端子20bをアース電位にする接地期間が周期的に切り換えられ、電圧パルスが分極部4aに印加される。即ち、電圧印加期間においては、分極部4aにはコイル20を介して高圧電源14が接続され、接地期間においては、分極部4aはコイル20を介してアース電位に接続され、フロート期間においては、分極部4aは高圧電源14及びアース電位から切り離され、フロート電位となる。電圧パルスがコイル20のインダクタンス及び分極部4aの容量成分と共振することにより、分極部4aにパルス状の高電圧が印加され、圧電特性部材4cが振動的に変形される。
By repeating the above operation, only the high-
圧電アクチュエータ駆動回路3に内蔵されているB相電圧パルス生成回路10の構成及び作用は、A相電圧パルス生成回路8と同一であるので、説明を省略する。なお、本実施形態においては、B相電圧パルス生成回路10には、A相電圧パルス生成回路8の駆動信号とは90゜位相がずれた矩形波が、駆動信号として入力されるので、B相電圧パルス生成回路10が発生する電圧パルスは、A相電圧パルス生成回路8により発生される電圧パルスとは90゜位相がずれたものとなる。また、電圧パルス波形に含まれるフロート期間は、マイクロコンピュータ32から入力されるフロート期間指示信号によって、A相電圧パルス生成回路8及びB相電圧パルス生成回路10に対して独立して設定される。従って、2つの電圧パルス生成回路から夫々出力される電圧パルス波形に含まれるフロート期間は、夫々任意の長さに設定される。
The configuration and operation of the B-phase voltage
次に、図3を参照して、A相電圧パルス生成回路8及びB相電圧パルス生成回路10によって出力される電圧パルス波形の一例を説明する。図3(a)は圧電アクチュエータ2のローター6を正転させる場合の電圧パルス波形の一例であり、図3(b)はローター6を反転させる場合の電圧パルス波形の一例を示す。なお、A相電圧パルス生成回路8から出力される電圧パルス波形は、コイル20の第2の端子20bにおける電圧を示し、B相電圧パルス生成回路10から出力される電圧パルス波形は、コイル28の第2の端子28bにおける電圧を示している。
Next, an example of a voltage pulse waveform output by the A-phase voltage
図3(a)に示すように、本実施形態においては、ローター6を正転させる場合には、A相電圧パルス生成回路8から出力される電圧パルス波形が、B相電圧パルス生成回路10から出力される電圧パルス波形に対して、90゜位相が進んでいる。また、図3(a)に示す例では、A相のフロート期間が、B相のフロート期間よりも長く設定されている。
As shown in FIG. 3A, in the present embodiment, when the
一方、図3(b)に示すように、ローター6を反転させる場合には、A相電圧パルス生成回路8から出力される電圧パルス波形が、B相電圧パルス生成回路10から出力される電圧パルス波形に対して、90゜位相が遅れている。また、図3(b)に示す例では、図3(a)に示す正転の場合とは反対に、A相のフロート期間が、B相のフロート期間よりも短く設定されている。
On the other hand, as shown in FIG. 3B, when the
電圧パルス波形に含まれるフロート期間は、電圧パルスの立ち上がり時、立ち下がり時とも、電圧パルス波形の1周期の5〜25%、好ましくは10〜20%に設定する。或いは、電圧パルス波形に含まれるフロート期間は、電圧パルスの立ち上がり時、立ち下がり時とも、0.7〜4μsec、好ましくは、1.5〜3μsecに設定する。 The float period included in the voltage pulse waveform is set to 5 to 25%, preferably 10 to 20% of one period of the voltage pulse waveform at both the rise and fall of the voltage pulse. Alternatively, the float period included in the voltage pulse waveform is set to 0.7 to 4 μsec, preferably 1.5 to 3 μsec, both when the voltage pulse rises and falls.
次に、図4乃至図8を参照して、本発明の実施形態による圧電アクチュエータ装置1の作用を説明する。
図4は、A相電圧パルス生成回路8及びB相電圧パルス生成回路10のフロート期間を同一にした場合の電圧パルス波形であり、上段から順に、コイル20の第2の端子20bにおける電圧、駆動端子20aにおける電圧、コイル28の第2の端子28bにおける電圧、駆動端子28aにおける電圧を示している。本明細書においては、このような電圧パルス波形を対称フロート期間波形と呼ぶ。
Next, with reference to FIG. 4 thru | or FIG. 8, the effect | action of the piezoelectric actuator apparatus 1 by embodiment of this invention is demonstrated.
FIG. 4 is a voltage pulse waveform when the float periods of the A-phase voltage
図5は、B相電圧パルス生成回路10のフロート期間を、A相電圧パルス生成回路8のフロート期間よりも短くした場合の電圧パルス波形であり、図4と同様に、上段から端子20b、20a、28b、28aにおける電圧を示している。本明細書においては、このような電圧パルス波形を非対称フロート期間波形と呼ぶ。
FIG. 5 shows a voltage pulse waveform when the float period of the B-phase voltage
図6は、比較例として、A相電圧パルス生成回路8、B相電圧パルス生成回路10ともフロート期間を設けていない場合の電圧パルス波形であり、図4と同様に、上段から端子20b、20a、28b、28aにおける電圧を示している。本明細書においては、このような電圧パルス波形を従来の電圧パルス波形と呼ぶ。
FIG. 6 shows, as a comparative example, voltage pulse waveforms in the case where neither the A-phase voltage
なお、一般に、電圧源とアース電位の間に2つのスイッチング素子を直列に接続し、これらのスイッチング素子を切り換えて電圧パルス波形を生成する回路においては、デットタイムが設けられている。このデットタイムは、電圧源とアース電位の間に接続された各スイッチング素子が同時にオンになり、電圧源とアース電位が短絡するのを防止するために、2つのスイッチング素子が同時にオフになる期間を設けるものである。即ち、ハイ側のスイッチング素子のみがオンの状態から、ロー側のスイッチング素子のみがオンの状態に切り換える場合には、先にハイ側のスイッチング素子をオフにして、両方のスイッチング素子がオフにされた後、ロー側のスイッチング素子をオンに切り換える。このような、両方のスイッチング素子がオフになるデットタイムは、回路を正常に動作させるために止むを得ず設けられるものであり、正確な電圧パルス波形を出力するためには0であることが理想とされている。このため、実用化されている回路では、デットタイムは必要最小限の長さに設定されており、通常、300nsec程度のきわめて短い期間に設定されている。 In general, a dead time is provided in a circuit in which two switching elements are connected in series between a voltage source and a ground potential, and these switching elements are switched to generate a voltage pulse waveform. This dead time is a period in which the two switching elements are simultaneously turned off in order to prevent the switching elements connected between the voltage source and the ground potential from being turned on at the same time and the voltage source and the ground potential from being short-circuited. Is provided. That is, when switching only the high-side switching element from the on state to the low-side switching element only, the high-side switching element is turned off first, and both switching elements are turned off. After that, the low-side switching element is turned on. Such a dead time when both the switching elements are turned off is unavoidably provided for normal operation of the circuit, and may be zero in order to output an accurate voltage pulse waveform. It is considered ideal. For this reason, in a circuit that has been put to practical use, the dead time is set to the minimum necessary length, and is usually set to a very short period of about 300 nsec.
図6に示す例においても、デットタイムは約300nsecに設定されている。一方、本発明の実施形態におけるフロート期間は、ハイ側スイッチング素子及びロー側スイッチング素子が同時にオフにされるという点でデットタイムと同様である。しかしながら、フロート期間は、圧電アクチュエータ2の制御特性を改善するために積極的に設けられたものであると共に、その期間も、通常のデットタイムの数倍以上に設定されるものであるため、本明細書においては、これをフロート期間と呼んで区別している。
Also in the example shown in FIG. 6, the dead time is set to about 300 nsec. On the other hand, the float period in the embodiment of the present invention is the same as the dead time in that the high-side switching element and the low-side switching element are simultaneously turned off. However, the float period is positively provided to improve the control characteristics of the
まず、図4に示すように、コイル20の第2の端子20bにおける電圧パルス波形は、ロー側スイッチング素子18のみがオンにされている接地期間T3aにおいてはアース電位にされ、一方、ハイ側スイッチング素子16のみがオンにされている電圧印加期間T2aにおいては、高圧電源14の電圧と等しくなっている。これに対して、接地期間T3aと電圧印加期間T2aの間に位置するフロート期間T1aにおいては第2の端子20bがフロートされた状態にあるため、第2の端子20bは、FETの寄生ダイオードの効果でアース電位から高圧電源の電圧の範囲内で、コイル20の駆動端子20aの電位と、コイル20の電流方向と、電流値に依存した電位をとり、振動的に変化している。
First, as shown in FIG. 4, the voltage pulse waveform at the second terminal 20b of the
一方、コイル20の駆動端子20aの電圧波形は、概ね、電圧印加期間T2aの間においては電圧が高く、接地期間T3aにおいては電圧が低い傾向を持った波形となるが、コイル20及び分極部4aの共振等により、複雑な波形になっている。これは、第2の端子28bの電位がFETの寄生ダイオードの効果でアース電位から高圧電源の電圧の範囲内で、コイル28の駆動端子28aの電位と、コイル28の電流方向と、電流値に依存した電位をとるためである。
On the other hand, the voltage waveform of the
さらに、コイル28の第2の端子28bにおける電圧パルス波形も、第2の端子20bの電圧波形と同一の傾向を持つが、設定されているフロート期間T1bの長さがフロート期間T1aと同一であるにも関わらず、フロート期間T1b中における波形が第2の端子20bとは異なっている。これは、第2の端子28bの電位が、コイル28の駆動端子28aの電位に依存した電位をとるためである。また、コイル28の駆動端子28aの電圧波形も駆動端子20aの電圧波形と同様の傾向を持つが、駆動端子20aの電圧波形とは異なっている。
Further, the voltage pulse waveform at the second terminal 28b of the
なお、図4に示す対称フロート期間波形において、フロート期間T1a、T1bは、1.52μsec、電圧印加期間T2a、T2b及び接地期間T3a、T3bは、5.76μsecである。 In the symmetrical float period waveform shown in FIG. 4, the float periods T1a and T1b are 1.52 μsec, the voltage application periods T2a and T2b and the ground periods T3a and T3b are 5.76 μsec.
次に、図5に示す電圧パルス波形では、B相電圧パルス生成回路10によるフロート期間T1bが、A相電圧パルス生成回路8によるフロート期間T1aよりも短くされている。また、駆動端子20aの波形及び駆動端子28aの波形は、より滑らかになり、正弦波に近づいている。
なお、図5に示す非対称フロート期間波形において、フロート期間T1aは、2.92μsec、電圧印加期間T2aは、及び接地期間T3aは、4.36μsecであり、フロート期間T1bは、1.24μsec、電圧印加期間T2b及び接地期間3bは、6.04μsecである。
Next, in the voltage pulse waveform shown in FIG. 5, the float period T1b by the B-phase voltage
In the asymmetric float period waveform shown in FIG. 5, the float period T1a is 2.92 μsec, the voltage application period T2a and the ground period T3a are 4.36 μsec, and the float period T1b is 1.24 μsec. The period T2b and the grounding period 3b are 6.04 μsec.
次に、比較例として図6に示す従来の電圧パルス波形では、第2の端子20b、28bの電圧パルス波形は、電圧印加期間T2と接地期間T3が交互に現れる正確な矩形波になっている。なお、図6に示す電圧パルス波形においても、ハイ側及びロー側のスイッチング素子が同時にオフにされるデットタイムが設けられているが、フロート期間に比べてきわめて短いため、その影響が電圧パルス波形には表れていない。
Next, in the conventional voltage pulse waveform shown in FIG. 6 as a comparative example, the voltage pulse waveform at the
一方、図6において、駆動端子20aの波形及び駆動端子28aの波形は、図4、図5に示した電圧波形に比べ、乱れの大きいものとなっている。特に、第2の端子20b、28bの電位がアース電位から高電圧源の電位に立ち上がる瞬間には、単調増加していた駆動端子の電位が一旦減少した後、再び増加している。これは、フロート期間を設けていない比較例においては、第2の端子20b、28bの電位が、常にアース電位又は高電圧源の電位に拘束されているため、駆動端子20a、28aの電位がその影響を受けて乱れているものと考えられる。
On the other hand, in FIG. 6, the waveform of the
これに対して、図4及び図5に示す例では、アース電位と高電圧源の電位の切り換えの間には、所定の長さを持ったフロート期間が設けられているため、第2の端子20b、28bは、アース電位から高圧電源の電圧の範囲内で自由な電位をとることができる。このため、各コイルの駆動端子の電位が、第2の端子の電位の影響を受けて乱されることにより複雑な波形になることがないと考えられる。
On the other hand, in the example shown in FIG. 4 and FIG. 5, since a float period having a predetermined length is provided between the switching of the ground potential and the potential of the high voltage source, the
次に、図7及び図8を参照して、本発明の実施形態の圧電アクチュエータ駆動回路3による圧電アクチュエータ2の制御結果を説明する。
図7は、本実施形態の圧電アクチュエータ駆動回路3により超音波モータである圧電アクチュエータ2のローター6を回転させた場合における回転数と、圧電アクチュエータ駆動回路3の消費電流の関係を示すグラフである。図7のグラフにおいて、図4に示した対称フロート期間波形により圧電アクチュエータ2を駆動した結果を太い実線で示し、図5に示した非対称フロート期間波形による結果を破線で示し、比較例として、図6に示した従来の電圧パルス波形による結果を細い実線で示す。
Next, a control result of the
FIG. 7 is a graph showing the relationship between the number of rotations and the consumption current of the piezoelectric actuator drive circuit 3 when the
図7から明らかなように、本実施形態の圧電アクチュエータ駆動回路3において、対称フロート期間波形及び非対称フロート期間波形により圧電アクチュエータ2を駆動した場合には、回転数が増加するに従ってほぼ単調に消費電流も増加していることがわかる。これに対して、図6に示す従来の電圧パルス波形による駆動では、全般的に、本実施形態の圧電アクチュエータ駆動回路3よりも消費電流が多く、圧電アクチュエータ2の駆動効率が悪いことがわかる。また、従来の電圧パルス波形による駆動では、低回転数において、駆動電流が非常に大きくなる領域があることがわかる。これは、図6に示したように、従来の電圧パルス波形においては、駆動端子に表れる電圧波形のあばれが大きく、特定の周波数帯域において、著しく効率を低下させているものと考えられる。
As can be seen from FIG. 7, in the piezoelectric actuator drive circuit 3 of the present embodiment, when the
さらに、太い実線で示す対称フロート期間波形と、破線で示す非対称フロート期間波形による消費電流を比較すると、両者の消費電流は同程度であるが、高回転数領域において、破線で示す非対称フロート期間波形の方が僅かに消費電流が多くなっている。即ち、所定の高回転数領域においては、A相の電圧パルス波形と、B相の電圧パルス波形に含まれるフロート期間が同一である対称フロート期間波形の方が、駆動効率が良いことがわかる。 Furthermore, when the current consumption of the symmetrical float period waveform indicated by the thick solid line and the asymmetrical float period waveform indicated by the broken line are compared, the current consumption of both is similar, but in the high speed region, the asymmetrical float period waveform indicated by the broken line The current consumption is slightly higher. That is, in a predetermined high rotation speed region, it can be seen that the driving efficiency is better for the A-phase voltage pulse waveform and the symmetrical float period waveform in which the float periods included in the B-phase voltage pulse waveform are the same.
図8は、本実施形態の圧電アクチュエータ駆動回路3により圧電アクチュエータ2のローター6を回転させた場合における電圧パルス波形の周波数と回転数の関係を示すグラフである。図8のグラフにおいて、図4に示した対称フロート期間波形により圧電アクチュエータ2を駆動した結果を太い実線で示し、図5に示した非対称フロート期間波形による結果を破線で示し、比較例として、図6に示した従来の電圧パルス波形による結果を細い実線で示す。
FIG. 8 is a graph showing the relationship between the frequency of the voltage pulse waveform and the rotational speed when the
図8に示すように、圧電アクチュエータ2は、電圧パルス波形の周波数が低下するほど回転数が高くなる傾向をもつ。従って、圧電アクチュエータ2が停止した状態から起動する場合には、電圧パルス波形の周波数を高周波から次第に低下させていく。図8から明らかなように、電圧パルス波形の周波数が最も高い値からローター6が回転し始めるのは、破線で示した、A相の電圧パルス波形と、B相の電圧パルス波形に含まれるフロート期間が異なる非対称フロート期間波形である。破線のグラフは、ローター6が回転し始めた後、低速域での電圧パルス波形の周波数の低下と共にほぼ単調に回転数が上昇しているので、ローター6の回転数の制御も容易に実行することができ、特に停止位置制御を行う際に有利である。
As shown in FIG. 8, the
次に高い周波数からローター6が回転し始めるのは、細い実線で示した従来の電圧パルス波形である。しかしながら、細い実線のグラフは、周波数が低下する途中で回転数がほぼ0まで低下する領域がある。即ち、従来の電圧パルス波形では、或る周波数で圧電アクチュエータ2を駆動しようとするとローター6が停止してしまう場合があり、ローター6の回転数を自由に制御することは困難である。
It is a conventional voltage pulse waveform indicated by a thin solid line that the
また、図8に太い実線で示した対称フロート期間波形は、最も低い周波数までローター6が回転し始めず、また回転し始めた時の回転数が他の波形に比べて高いため、低速域での制御性は非対称フロート期間波形よりも劣るが、回転し始めた後は周波数の低下と共に単調に回転数が増加し、良好な制御性を示している。
In addition, the symmetrical float period waveform shown by the thick solid line in FIG. 8 does not start to rotate the
図7に示したように、圧電アクチュエータ2の駆動効率については図4に示した対称フロート期間波形を使用した制御が最も優れている。また、図8に示したように、圧電アクチュエータ2の起動性については図5に示した非対称フロート期間波形を使用した制御が最も優れている。従って、対称フロート期間波形を使用した第1制御モードと、非対称フロート期間波形を使用した第2制御モードを切り換えて実行することにより、さらに優れた圧電アクチュエータ駆動回路3を構成することができる。
As shown in FIG. 7, the drive efficiency of the
特に、図5に示した非対称フロート期間波形を使用した第2制御モードにより圧電アクチュエータ2を起動し、電圧パルス波形を所定の周波数まで低下させて回転数を上昇させた後、図4に示した対称フロート期間波形を使用した第1制御モードに切り換えて制御することにより、良好な制御性と、高い駆動効率を実現することができる。
In particular, the
本発明の実施形態の圧電アクチュエータ装置1によれば、電圧印加期間T2と接地期間T3の間にフロート期間T1が設けられている(図4、図5)ので、分極部4a、4bに印加される電圧の変化が滑らかになり、圧電アクチュエータ2を効率良く、又は、円滑に駆動することができる。
According to the piezoelectric actuator device 1 of the embodiment of the present invention, since the float period T1 is provided between the voltage application period T2 and the grounding period T3 (FIGS. 4 and 5), it is applied to the
本発明の実施形態の圧電アクチュエータ装置1によれば、圧電アクチュエータ2の分極部4a、分極部4bに夫々位相が異なる電圧パルスが印加されるので、単一の分極部のみに電圧パルスを印加する場合に比べ、圧電アクチュエータ2を効率良く、又は、円滑に駆動することができる。
According to the piezoelectric actuator device 1 of the embodiment of the present invention, voltage pulses having different phases are applied to the
本発明の実施形態の圧電アクチュエータ装置1によれば、分極部4a、分極部4bに、フロート期間の長さが互いに異なる電圧パルスを印加することができるので、駆動対象の圧電アクチュエータ2に合わせて適切な駆動を行うことができる。
According to the piezoelectric actuator device 1 of the embodiment of the present invention, voltage pulses having different float periods can be applied to the
本発明の実施形態の圧電アクチュエータ装置1によれば、対称フロート期間波形を使用した第1制御モードと、非対称フロート期間波形を使用した第2制御モードを切り換えて実行することができるので、第1制御モードが有利な駆動状況と、第2制御モードが有利な駆動状況に応じて制御を切り換えることにより、より効率良く、円滑に圧電アクチュエータを駆動することができる。 According to the piezoelectric actuator device 1 of the embodiment of the present invention, the first control mode using the symmetric float period waveform and the second control mode using the asymmetric float period waveform can be switched and executed. By switching the control according to the driving situation where the control mode is advantageous and the driving situation where the second control mode is advantageous, the piezoelectric actuator can be driven more efficiently and smoothly.
本発明の実施形態の圧電アクチュエータ装置1によれば、起動性の良い第2制御モードにより超音波モータを起動した後、駆動効率の良い第1制御モードに切り換えることにより、起動性及び効率を向上させることができる。 According to the piezoelectric actuator device 1 of the embodiment of the present invention, after starting the ultrasonic motor in the second control mode with good startability, the startability and efficiency are improved by switching to the first control mode with good drive efficiency. Can be made.
本発明の実施形態の圧電アクチュエータ装置1によれば、通常の駆動回路による電圧パルスに含まれているデットタイムよりも非常に長い、電圧パルス1周期のうちの約10%を占めるフロート期間を設けることにより圧電アクチュエータ駆動回路の駆動効率を十分に向上させることができる。 According to the piezoelectric actuator device 1 of the embodiment of the present invention, the float period that occupies about 10% of one period of the voltage pulse, which is much longer than the dead time included in the voltage pulse by the normal drive circuit, is provided. As a result, the drive efficiency of the piezoelectric actuator drive circuit can be sufficiently improved.
本発明の実施形態の圧電アクチュエータ装置1によれば、ハイ側スイッチング素子16、24及びロー側スイッチング素子18、26は、コイル20、28を介して分極部4a、4bに接続されているので、コイル20、28による共振現象を利用して、電圧源14、22の電圧よりも高い電圧を分極部4a、4bに印可することができる。このように、スイッチング素子と分極部の間にコイルが接続されている形式の圧電アクチュエータ駆動回路においては、コイルの介在により駆動回路の出力インピーダンスが高くなる傾向があるが、本実施形態の圧電アクチュエータ駆動回路によれば、電圧パルス波形にフロート期間を設けることにより、コイルによる起電力等の悪影響を抑制して、或いはコイルによる起電力を利用して、効率良く圧電アクチュエータを駆動することができる。
According to the piezoelectric actuator device 1 of the embodiment of the present invention, the high-
以上、本発明の好ましい実施形態を説明したが、上述した実施形態に種々の変更を加えることができる。特に、上述した実施形態においては、圧電アクチュエータ駆動回路は、ローターを駆動する圧電アクチュエータの駆動に使用されていたが、本発明の圧電アクチュエータ駆動回路は、リニア型のアクチュエータ等、任意の圧電アクチュエータの駆動に適用することができる。 As mentioned above, although preferable embodiment of this invention was described, a various change can be added to embodiment mentioned above. In particular, in the above-described embodiment, the piezoelectric actuator drive circuit is used to drive the piezoelectric actuator that drives the rotor. However, the piezoelectric actuator drive circuit of the present invention can be used for any piezoelectric actuator such as a linear actuator. It can be applied to driving.
また、上述した実施形態においては、圧電アクチュエータ駆動回路は、正転及び反転駆動が可能に構成されていたが、本発明を、一方向の駆動のみ可能な圧電アクチュエータ駆動回路に適用することもできる。 In the above-described embodiment, the piezoelectric actuator drive circuit is configured to be capable of normal rotation and reverse drive. However, the present invention can also be applied to a piezoelectric actuator drive circuit capable of driving in only one direction. .
さらに、上述した実施形態においては、圧電アクチュエータ駆動回路は、2つの分極部に位相の異なる電圧パルス波形を印加していたが、本発明を、単一の分極部のみに電圧パルス波形を印加する圧電アクチュエータ駆動回路に適用しても良い。 Further, in the above-described embodiment, the piezoelectric actuator drive circuit applies the voltage pulse waveform having different phases to the two polarization parts. However, the present invention applies the voltage pulse waveform only to the single polarization part. You may apply to a piezoelectric actuator drive circuit.
また、上述した実施形態においては、スイッチング素子と分極部の間にコイルが接続されていたが、本発明を、コイルを設けない形式の圧電アクチュエータ駆動回路に適用することもできる。 In the above-described embodiment, the coil is connected between the switching element and the polarization unit. However, the present invention can also be applied to a piezoelectric actuator drive circuit of a type in which no coil is provided.
さらに、上述した実施形態においては、正の高圧電源を使用して駆動素子を駆動していたが、高圧電源として、負の高圧電源を使用することもできる。また、上述した実施形態においては、Nチャンネル型のMOSFETをスイッチング素子として使用していたが、高圧電源の極性等を考慮して、Pチャンネル型のMOSFETをスイッチング素子として使用することもできる。 Furthermore, in the above-described embodiment, the drive element is driven using a positive high-voltage power supply, but a negative high-voltage power supply can also be used as the high-voltage power supply. In the above-described embodiment, the N-channel MOSFET is used as the switching element. However, in consideration of the polarity of the high-voltage power supply, a P-channel MOSFET can be used as the switching element.
また、上述した実施形態においては、単一の圧電特性部材内に複数の分極部を形成した圧電アクチュエータを制御しているが、分極部を多層に分割し、接地電極、駆動電極を交互に積層したタイプの圧電アクチュエータ等、種々のアクチュエータに本発明を適用することができる。 In the above-described embodiment, a piezoelectric actuator having a plurality of polarization portions formed in a single piezoelectric characteristic member is controlled. However, the polarization portions are divided into multiple layers, and ground electrodes and drive electrodes are alternately stacked. The present invention can be applied to various actuators such as the above-described type of piezoelectric actuator.
さらに、上述した実施形態においては、対称フロート期間波形、及び非対称フロート期間波形は、常に一定のフロート期間を有していたが、変形例として、圧電アクチュエータの駆動中にフロート期間を変化させることもできる。例えば、対称フロート期間波形において、A相及びB相のフロート期間を同一に維持しながら、駆動中にフロート期間を延長、又は短縮するように制御することもできる。
また、駆動中にフロート期間を変化させる第3制御モードと、上述した、対称フロート期間波形を使用した第1制御モード、及び非対称フロート期間波形を使用した第2制御モードを、適宜切り換えて実行することもできる。
Furthermore, in the above-described embodiment, the symmetric float period waveform and the asymmetric float period waveform always have a constant float period. However, as a modification, the float period may be changed during driving of the piezoelectric actuator. it can. For example, in the symmetric float period waveform, it is possible to control the float period to be extended or shortened during driving while maintaining the same A phase and B phase float periods.
Further, the third control mode in which the float period is changed during driving, the first control mode using the symmetric float period waveform, and the second control mode using the asymmetric float period waveform are switched as appropriate and executed. You can also.
1 圧電アクチュエータ装置
2 圧電アクチュエータ
3 圧電アクチュエータ駆動回路
4a、4b 分極部
5 摩擦部材
6 ローター
8 A相電圧パルス生成回路8
10 B相電圧パルス生成回路10
12 スイッチング素子制御回路
14 高圧電源(電圧源)
16 ハイ側スイッチング素子
18 ロー側スイッチング素子
20 コイル
20a 駆動端子
20b 第2の端子(第1の端子)
22 高圧電源(電圧源)
24 ハイ側スイッチング素子
26 ロー側スイッチング素子
28 コイル
28a 駆動端子(第1の端子)
28b 第2の端子
30 スイッチング素子制御回路
32 マイクロコンピュータ
34 D/A変換器
36 電圧制御発振器
38 移相器
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1
10 B-phase voltage
12 Switching
16 High-
22 High voltage power supply (voltage source)
24 High-
Claims (6)
電圧源と、
上記分極部と上記電圧源との間に接続され、制御信号により導通状態と非導通状態に切り換えられるハイ側スイッチング素子と、
上記分極部とアース電位との間に接続され、制御信号により導通状態と非導通状態に切り換えられるロー側スイッチング素子と、
これらのハイ側スイッチング素子及びロー側スイッチング素子を制御して、上記ハイ側スイッチング素子のみを導通状態として上記分極部に上記電圧源が接続される電圧印加期間、上記ハイ側スイッチング素子及び上記ロー側スイッチング素子を何れも非導通状態として、上記分極部が上記電圧源及び上記アース電位から切り離されるフロート期間、及び上記ロー側スイッチング素子のみを導通状態として上記分極部をアース電位に接続する接地期間を周期的に切り換えることにより、電圧パルスを上記分極部に印加し、上記圧電アクチュエータを駆動するスイッチング素子制御回路と、を有し、
上記スイッチング素子制御回路は、上記複数の分極部に、夫々位相の異なる電圧パルスを印加すると共に、含まれるフロート期間の長さが異なる電圧パルスを上記各分極部に印加することを特徴とする圧電アクチュエータ駆動回路。 A piezoelectric actuator drive circuit that includes a plurality of polarization units and that drives a piezoelectric actuator to which a drive voltage is applied to the plurality of polarization units,
A voltage source;
A high-side switching element connected between the polarization unit and the voltage source and switched between a conductive state and a non-conductive state by a control signal;
A low-side switching element that is connected between the polarization part and the ground potential and is switched between a conductive state and a non-conductive state by a control signal;
The high-side switching element and the low-side switching element are controlled so that only the high-side switching element is in a conductive state and the voltage source is connected to the polarization unit, the high-side switching element and the low-side switching element A floating period in which all the switching elements are in a non-conductive state, and the polarization unit is disconnected from the voltage source and the ground potential, and a ground period in which only the low-side switching element is in a conductive state and the polarization unit is connected to the ground potential. by periodically switching by applying a voltage pulse to the polarized portion, have a, a switching element control circuit for driving the piezoelectric actuator,
The switching element control circuit applies voltage pulses having different phases to the plurality of polarization units, and applies voltage pulses having different float period lengths to the polarization units. Actuator drive circuit.
このローターを駆動する複数の分極部を備えたステーターと、
上記複数の分極部のうちの少なくとも1つに駆動電圧を印可する請求項1乃至5の何れか1項に記載の圧電アクチュエータ駆動回路と、
を有することを特徴とする圧電アクチュエータ装置。 With the rotor,
A stator having a plurality of polarization portions for driving the rotor;
The piezoelectric actuator drive circuit according to any one of claims 1 to 5 , wherein a drive voltage is applied to at least one of the plurality of polarization units.
A piezoelectric actuator device comprising:
Priority Applications (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2010196434A JP5601939B2 (en) | 2010-09-02 | 2010-09-02 | Piezoelectric actuator drive circuit and piezoelectric actuator device including the same |
US13/211,602 US8587181B2 (en) | 2010-09-02 | 2011-08-17 | Piezo-electric actuator drive circuit and piezo-electric actuator device furnished with same |
CN201110261153.8A CN102386803B (en) | 2010-09-02 | 2011-09-02 | Piezo-electric actuator drive circuit and piezo-electric actuator device |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2010196434A JP5601939B2 (en) | 2010-09-02 | 2010-09-02 | Piezoelectric actuator drive circuit and piezoelectric actuator device including the same |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2012055102A JP2012055102A (en) | 2012-03-15 |
JP5601939B2 true JP5601939B2 (en) | 2014-10-08 |
Family
ID=45063945
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2010196434A Active JP5601939B2 (en) | 2010-09-02 | 2010-09-02 | Piezoelectric actuator drive circuit and piezoelectric actuator device including the same |
Country Status (3)
Country | Link |
---|---|
US (1) | US8587181B2 (en) |
JP (1) | JP5601939B2 (en) |
CN (1) | CN102386803B (en) |
Families Citing this family (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP6164044B2 (en) | 2013-10-30 | 2017-07-19 | セイコーエプソン株式会社 | Piezoelectric motor, robot hand, robot, finger assist device, electronic component transport device, electronic component inspection device, liquid feed pump, printing device, electronic clock, projection device |
JP6834262B2 (en) * | 2016-08-31 | 2021-02-24 | セイコーエプソン株式会社 | Manufacturing method of oscillator, piezoelectric actuator, piezoelectric motor, robot, electronic component transfer device and oscillator |
CN111480005B (en) * | 2017-12-26 | 2023-01-03 | 株式会社村田制作所 | Pump device |
Family Cites Families (8)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH06245553A (en) * | 1993-02-12 | 1994-09-02 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | Drive circuit for ultrasonic motor |
JP2000184759A (en) * | 1998-12-10 | 2000-06-30 | Canon Inc | Oscillatory actuator driver |
JP4406952B2 (en) | 1999-04-08 | 2010-02-03 | 株式会社ニコン | Vibration actuator |
WO2002078165A1 (en) * | 2001-03-27 | 2002-10-03 | Seiko Epson Corporation | Piezoelectric actuator and its drive circuit |
JP4576154B2 (en) * | 2004-05-13 | 2010-11-04 | オリンパス株式会社 | Ultrasonic motor |
US20070040471A1 (en) * | 2005-08-17 | 2007-02-22 | Nokia Corporation | Load adaptive class de driving amplifier for piezoelectric actuators |
JP2007089384A (en) * | 2005-08-22 | 2007-04-05 | Seiko Epson Corp | Drive controller for piezoelectric actuator, electronic equipment, and drive controlling method for the piezoelectric actuator |
CN101001055A (en) * | 2006-01-10 | 2007-07-18 | 精工爱普生株式会社 | Piezoelectric actuator drive control method, piezoelectric actuator drive control apparatus, and electronic device |
-
2010
- 2010-09-02 JP JP2010196434A patent/JP5601939B2/en active Active
-
2011
- 2011-08-17 US US13/211,602 patent/US8587181B2/en not_active Expired - Fee Related
- 2011-09-02 CN CN201110261153.8A patent/CN102386803B/en not_active Expired - Fee Related
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
CN102386803B (en) | 2015-01-07 |
US8587181B2 (en) | 2013-11-19 |
CN102386803A (en) | 2012-03-21 |
JP2012055102A (en) | 2012-03-15 |
US20110298401A1 (en) | 2011-12-08 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US20060119300A1 (en) | Method of controlling a brushless DC motor | |
CN102291038B (en) | Method of controlling vibration motor and dirver used for vibration motor | |
JP5601939B2 (en) | Piezoelectric actuator drive circuit and piezoelectric actuator device including the same | |
US6121714A (en) | Vibration type motor device | |
JP2622128B2 (en) | Vibration wave motor device | |
JP4765405B2 (en) | Ultrasonic motor drive device | |
JP4110153B2 (en) | Drive device for vibration actuator and drive method for vibration actuator | |
JP6912546B2 (en) | Motor drive unit of DC electric motor | |
JP2008067530A (en) | Resonator drive control circuit | |
JPH09163767A (en) | Driver of vibration actuator | |
JP5885380B2 (en) | Drive control device and drive control method for vibration wave drive device | |
JP5893307B2 (en) | Drive device for vibration actuator | |
US8648557B2 (en) | Drive control signal generating circuit | |
JPH11356066A (en) | Drive for capacitive load | |
JP2012023924A (en) | Piezoelectric actuator drive circuit and piezoelectric actuator device including the same | |
JPH02179282A (en) | Drive circuit for ultrasonic motor | |
EP1722468A2 (en) | Motor drive circuit | |
JP5287339B2 (en) | Vibration actuator drive unit, lens barrel, camera | |
JP5614224B2 (en) | Drive device | |
JPH0870590A (en) | Driving apparatus for ultrasonic piezoelectric transducer | |
JPH03215176A (en) | Driving circuit of ultrasonic motor | |
JPH0937572A (en) | Driving device of oscillatory wave device | |
JP2010284000A (en) | Drive circuit of dc brushless motor | |
Wang et al. | A New Type of Cylindrical Travelling Wave USM | |
JPH09205785A (en) | Driver for oscillation actuator |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20121204 |
|
A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20131129 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20131216 |
|
A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20140210 |
|
TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20140811 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20140819 |
|
R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 5601939 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |